Pietsosähköiset keraamiset materiaalit ovat toiminnallisia materiaaleja, jotka toteuttavat konversion mekaanisen energian ja sähköenergian välillä (1)

Pietsosähköiset materiaalit ovat toiminnallisia materiaaleja, jotka toteuttavat konversion mekaanisen energian ja sähköenergian välillä. Sen kehityksellä on pitkä historia. Sen jälkeen kun CURIE-veljekset löysivät pietsosähköisen vaikutuksen kvartsikiteisiin 1880-luvulla, pietsosähköiset materiaalit ovat herättäneet laajaa huomiota. Tutkimuksen syvenemisen myötä suuri määrä pietsosähköisiä materiaaleja, kuten pietsosähköisiä toiminnallisia keraamisia materiaaleja, pietsosähköisiä kalvoja, pietsosähköisiä komposiittimateriaaleja jne. Näillä materiaaleilla on erittäin laaja käyttöalue, ja niillä on tärkeä rooli toiminnallisissa muunnoslaitteissa, kuten sähkö, magnetismi, ääni, valo, lämpö, ​​kosteus, kaasu ja voima.

PVDF pietsosähköinen kalvo
PVDF pietsosähköinen kalvo on polyvinylideenifluoridi pietsosähköinen kalvo. Vuonna 1969 japanilaiset löysivät polymeerimateriaalin polyvinylideenifluoridin (polyvinylideenifluoridipolymeeri), jota kutsutaan nimellä PVDF, jolla on erittäin voimakas pietsosähköinen vaikutus. PVDF-kalvolla on pääasiassa kaksi pietsokidetyyppiä, nimittäin α-tyyppi ja β-tyyppi. α-tyypin pietsokateella ei ole pietsosähköisyyttä, mutta sen jälkeen kun PVDF-kalvo on rullattu ja venytetty, kalvon alkuperäisestä α-tyypin kiteestä tulee β-tyyppinen kiderakenne. Kun venytettyyn ja polarisoituun PVDF-kalvoon kohdistuu ulkoinen voima tai muodonmuutos tietyssä suunnassa, polarisoitunut pinta ultraäänitason anturi synnyttää tietyn sähkövarauksen, eli pietsosähköisen vaikutuksen.

Pietsosähköiseen keramiikkaan ja pietsosähköisiin kiteisiin verrattuna pietsosähköisillä kalvoilla on seuraavat edut:

(1) Kevyt paino, sen tiheys on vain neljännes yleisesti käytetystä pietsosähköisestä keraamisesta PZT:stä, mittauskohteeseen liimattu ei juuri vaikuta alkuperäiseen rakenteeseen, korkea elastinen joustavuus, voidaan työstää tiettyyn muotoon Mittauspinta on täysin asennettu, korkea mekaaninen lujuus ja iskunkestävyys;
(2) Korkean jännitteen lähtö, samoissa jännitysolosuhteissa, lähtöjännite on 10 kertaa suurempi kuin pietsosähköinen keramiikka;
(3) Suuri dielektrinen lujuus, joka kestää voimakkaan sähkökentän vaikutuksen (75 V / um), tällä hetkellä useimmat pietsosähköiset keramiikka on depolarisoitua;
(4) Akustinen impedanssi on alhainen, vain yksi kymmenesosa pietsosähköisestä keraamisesta PZT:stä, lähellä vettä, ihmiskudosta ja viskoosia kehoa;
(5) Taajuusvaste on laaja, ja sähkömekaaninen vaikutus voidaan muuntaa 10-3 Hz: stä 109: ksi, ja tärinätila on yksinkertainen.

Pietsosähköisen kalvon ominaisuudet
1. Dielektrisyysvakio
Vaikka pietsosähköinen kalvo on yksikidekalvo tai monikiteinen kalvo, jolla on suositeltava suunta, sen atomipakkaus ei ole yhtä tiheä ja järjestetty kuin kiteessä, joten pietsosähköisen kalvon dielektrisyysvakioarvo on erilainen kuin kiteen arvo. Tämän lisäksi kalvossa on usein suuria jäännössisäisiä jännityksiä ja mittauksen syitä, jotka myös aiheuttavat kalvon dielektrisyysvakion arvon poikkeavan kiteen vastaavasta arvosta.
Olemassa olevat tutkimukset ovat osoittaneet, että pietsosähköisen kalvon dielektrisyysvakio ei liity vain kiteen orientaatioon, vaan riippuu myös testiolosuhteista. Pietsosähköisen kalvon dielektrisyysvakiolla on huomattava dispersio. Sisäisen jännityksen ja testiolosuhteiden eron lisäksi kemiallisen koostumuksen suhteen ja kalvokoostumuksen kalvon paksuuden välisen eron uskotaan yleensä pienenevän kalvon paksuuden myötä. Ohut ja pieni. Lisäksi pietsosähköisen ohutkalvon dielektrisyysvakio muuttuu myös merkittävästi lämpötilan ja taajuuden mukaan.

2. Tilavuusresistanssi
Pietsosähköisen kalvon dielektrisen häviön ja relaksaatiotaajuuden vähentämisen näkökulmasta sen odotetaan olevan erittäin korkea, vähintään ρv≥108Ω • cm. AlN-kalvon resistanssi on 2 × 1014 ~ 1 × 1015Ω · cm, mikä on paljon suurempi kuin 108Ω · cm, joten tässä suhteessa AlN on erittäin erinomainen kalvo. Lisäksi AlN pietsosähköisten kalvojen sähkönjohtavuuden muutos lämpötilan myötä noudattaa myös 1nσ∝1 / T -lakia. Yhdelläkään pietsosähköisellä kiteellä ei ole symmetriakeskusta, joten niiden elektronien liikkuvuus on myös anisotrooppista ja sähkönjohtavuus on myös erilainen. AlN-pietsosähköisen kalvon johtavuus C-akselin suunnassa on erilainen kuin C-akselia vastaan ​​kohtisuorassa suunnassa. Edellinen on noin 1-2 suuruusluokkaa pienempi.

3. Häviökulmatangentti
AlN-pietsosähköisen kalvon dielektrisen häviön tangentti on tanδ = 0,003 ～ 0,005 ja ZnO-kalvon tanδ on suurempi, mikä on 0,005 ～ 0,01. Syy siihen, miksi näiden kalvojen tanδ on niin suuri, on se, että johtavuusprosessin lisäksi näillä kalvoilla on myös merkittäviä relaksaatioilmiöitä. Dielektrisen ohuen kalvon tapaan pietsosähköisen paksukalvon tan δ kasvaa vähitellen lämpötilan ja taajuuden noustessa ja kosteuden kasvaessa. Lisäksi kun kalvon paksuus pienenee, tan δ pyrkii kasvamaan. Ilmeisesti tan δ:n kasvu lämpötilan myötä johtuu konduktanssin lisääntymisestä ja relaksorien lisääntymisestä. Se kasvaa taajuuden kasvaessa, koska rentoutumiskertojen määrä ajassa kasvaa.

4. Hajoamisvoimakkuus
Koska dielektrisen läpilyöntikentän voimakkuus kuuluu lujuusparametriin ja kalvossa on väistämättömiä erilaisia ​​vikoja, pietsosähköisen kalvon läpilyöntikentän voimakkuudella on huomattava hajonta; dielektrisen läpilyönnin teoria. Hajoamiskentän voimakkuuden tulisi vähitellen kasvaa kalvon paksuuden pienentyessä. Mutta itse asiassa, koska kalvossa on monia vikoja, vian vaikutus on suurempi, koska paksuus on pienempi, joten kun paksuus pienennetään tiettyyn arvoon, kalvon hajoamiskentän voimakkuus pienenee jyrkästi. Kalvon läpimurtokentän voimakkuudella on itse kalvon syiden lisäksi myös elektrodin reunan vaikutus testin aikana. Mitä paksumpi kalvo, sitä epätasaisempi sähkökenttä elektrodin reunassa, joten kalvon paksuuden kasvaessa sen läpilyöntikentän voimakkuus pienenee vähitellen. Edellä mainittujen tekijöiden lisäksi dielektrisen kalvon läpilyöntikentän voimakkuus riippuu myös kalvon rakenteesta. Pietsosähköisellä kalvolla läpilyöntikentän voimakkuus riippuu myös sähkökentän suunnasta, eli se on myös anisotrooppinen läpilyöntikentän voimakkuudessa. Koska monikiteisessä kalvossa on raerajaja, sen läpimurtokentän voimakkuus on pienempi kuin amorfisen kalvon; samanlaisista syistä ensisijaisesti orientoidun pietsosähköisen kalvon läpilyöntikentän voimakkuus raeorientaatiosuunnassa on suurempi kuin kohtisuorassa suunnassa. Hajotuskentän voimakkuus on pienempi.

Kuten muidenkin dielektristen kalvojen, pietsosähköisen kalvon läpilyöntikentän voimakkuus riippuu myös joistakin ulkoisista tekijöistä, kuten jännitteen aaltomuodosta, taajuudesta, lämpötilasta ja elektrodeista. Koska pietsosähköisen kalvon läpilyöntikentän voimakkuus liittyy moniin tekijöihin, saman kalvon läpimurtokentän voimakkuusarvot, jotka on raportoitu asiaankuuluvassa kirjallisuudessa, ovat usein epäjohdonmukaisia ​​ja jopa vaihtelevat suuresti. Esimerkiksi ZnO-kalvon hajoamiskentänvoimakkuus on 0,01 - 0,4 MV / cm, AlN-kalvon 0,5 - 6,0 MV / cm.

5. Akustisen bulkkiaallon suorituskyky
Pietsosähköisten bulkkiaaltoaaltojen tärkeimmät ominaisparametrit ovat resonanssitaajuus f0, akustinen impedanssi Za ja sähkömekaaninen kytkentäkerroin K, joten pietsosähköisen kalvon äänen nopeus υ ja lämpötilakerroin, akustinen impedanssi ja sähkömekaaninen kerroin ovat erityisen tiukat. Nämä kalvon ominaisuudet eivät riipu vain kalvossa olevien kiderakeiden elastisuudesta, dielektrisistä, pietsosähköisistä ja lämpöominaisuuksista, vaan ne liittyvät myös läheisesti pietsosähköisen kalvon rakenteeseen, kuten rakeiden tiiviysasteeseen ja edulliseen orientaatioon. Pietsosähköisessä kalvossa kiderakeen vioista ja jännityksestä johtuen se ei ole täydellinen yksikide, joten kalvon fysikaalinen vakio eroaa hieman kidearvosta. Koska pietsosähköisen kalvon rakenne liittyy läheisesti valmistusprosessiin, jopa samalle pietsosähköiselle kalvolle, eri kirjallisuuksissa raportoidut suorituskykyarvot ovat usein epäjohdonmukaisia. Kaikista epäorgaanisista ei-rautapitoisista pietsosähköisistä kalvoista AlN-kalvolla on suuri kimmovakio, mutta alhainen tiheys ja suurin äänen nopeus. Siksi kalvo sopii parhaiten UHF- ja mikroaaltouunilaitteisiin.

6. Pinta-akustisen aallon suorituskyky
Kun akustinen pinta-aalto etenee Pietsosähköinen sylinterimuunnin , sen hiukkassiirtymän amplitudi vaimenee nopeasti, kun etäisyys väliaineen pinnasta kasvaa, joten pinta-akustinen aaltoenergia keskittyy pääasiassa kahdelle seuraavalle aallonpituudelle pinnalla. Kalvomateriaalin akustisen pinta-aallon suorituskyky voidaan ilmaista seuraavalla toiminnallisella kaavalla: akustinen pinta-aaltoteho = F (raaka-aine, substraatti, kalvon rakenne, aaltomuoto, etenemissuunta, interdigitaalisen elektrodin muoto, paksuusaallon numerotulo) Ääniaallon suorituskykyparametrien taulukkoa ei voi esittää yhdellä arvolla. Toinen pietsosähköisten kalvojen akustinen aaltoominaisuus on siirtohäviö. Koska pietsosähköisiä kalvoja käytetään usein akustisena väliaineena pinta-aaltolaitteissa, siirtohäviön lähde on pääasiassa akustisten aaltojen sironta pietsosähköisessä kalvossa ja alustassa.

Menetelmä pietsosähköisen kalvon valmistamiseksi
Pietsosähköisten ohutkalvojen valmistusmenetelmiin kuuluvat pääasiassa perinteiset tyhjiöpinnoitusmenetelmät, mukaan lukien tyhjiöhaihdutuspinnoitus, sputterointi ja kemiallinen höyrypinnoitus, jonka paksuus on 0-18 μm, sekä uusi sooligeelimenetelmä, hydroterminen menetelmä ja elektroforeettinen kalvopinnoitusmenetelmä 10-10 μm paksuinen tsoelektropinnoitusmenetelmä materiaalia.
Paksu pietsosähköinen kalvo tarkoittaa yleensä pietsosähköistä kalvoa, jonka paksuus on 10-100 μm. Ohutkalvoon verrattuna rajapinta ja pinta vaikuttavat vähemmän sen pietsosähköisiin ja ferrosähköisiin ominaisuuksiin; suhteellisen suuren paksuutensa vuoksi tällainen PZT-materiaali voi myös tuottaa suuren käyttövoiman ja sillä on laajempi toimintataajuus; bulkkimateriaaliin verrattuna sen käyttöjännite on alhainen, käyttötaajuus on korkea ja se on yhteensopiva puolijohdeprosessien kanssa.

1. Tyhjiöhaihdutuspinnoite
Tyhjiöhaihdutuspinnoitteella haihdutetaan aine kuumentamalla ja kerrostetaan kiinteälle pinnalle, jota kutsutaan haihdutuspinnoitteeksi. M. Faraday ehdotti tätä menetelmää ensimmäisen kerran vuonna 1857, ja modernisoinnista on tullut yksi yleisesti käytetyistä pinnoitustekniikoista.
Tyhjiöhaihdutuspinnoitus sisältää seuraavat kolme perusprosessia:
(1) Kuumennus- ja haihdutusprosessi, mukaan lukien reunusprosessi, jossa vaihtuu kondensoituneesta faasista kaasufaasiin (kiinteä faasi tai nestefaasi → kaasufaasi). Jokaisella haihtuvalla aineella on erilainen kylläisen höyryn paine eri lämpötiloissa. Yhdistettä haihdutettaessa sen komponentit reagoivat, ja osa niistä pääsee haihtumistilaan kaasumaisessa tilassa tai höyrynä.
(2) Höyrystyneiden atomien tai molekyylien kuljettaminen haihdutuslähteen ja substraatin välillä ja näiden esimerkkien lentoprosessi ympäröivässä ilmakehässä. Tyhjökammiossa olevien jäännöskaasumolekyylien kanssa tapahtuvien törmäysten lukumäärä lennon aikana riippuu haihtuneiden atomien keskimääräisestä vapaasta reitistä ja etäisyydestä haihdutuslähteestä substraattiin, jota usein kutsutaan lähde-kantaetäisyydeksi.
(3) Haihtuneiden atomien tai molekyylien saostusprosessi substraatin pinnalla ja höyryn kondensaatio, ydintyminen, ydinkasvu ja jatkuvan kalvon muodostuminen. Koska substraatin lämpötila on paljon alhaisempi kuin haihdutuslähteen lämpötila, substraatin pinnalla olevien kerrostumismolekyylien faasimuutosprosessi tapahtuu suoraan kaasufaasista kiinteään faasiin.
Kun aine haihtuu, on tärkeää tietää kylläisen höyryn paine, haihtumisnopeus ja haihtuneiden molekyylien keskimääräinen vapaa reitti. Höyrystyslähteitä on kolmenlaisia.

2. Tyhjösputterointipinnoite
Esimerkki yli muutaman sadan elektronivoltin kineettisellä energialla tai ionisuihku pommittaa kiinteää pintaa siten, että kiinteän pinnan lähellä olevat atomit saavat osan tulevan hiukkasen energiasta ja jättävät kiinteän aineen tyhjiöön. Tätä ilmiötä kutsutaan ruiskutukseksi. Sputterointiilmiöön liittyy monimutkainen sirontaprosessi ja siihen liittyy erilaisia ​​energiansiirtomekanismeja. Yleisesti uskotaan, että tämä prosessi on pääosin ns. törmäyskaskadiprosessi, eli tulevat ionit törmäävät elastisesti kohdeatomien kanssa niin, että kohdeatomit saavat riittävästi energiaa voittamaan ympäröivien atomien muodostaman potentiaaliesteen ja poistumaan alkuperäisestä asennosta, ja edelleen ja lähellä olevat atomit törmäävät. Kun tämä törmäyskaskadi saavuttaa kohdeatomin pinnan niin, että atomit saavat pintaa sitovaa energiaa korkeamman energian, nämä atomit poistuvat kohdeatomin pinnasta ja joutuvat tyhjiöön. Nyt enemmän sputterointia koskevia tutkimuksia ovat magnetronisputterointi. Magnetronisputteroinnin tarkoituksena on suorittaa nopeaa sputterointia matalassa paineessa, ja kaasun ionisaationopeutta on lisättävä tehokkaasti. Tuomalla magneettikenttä kohdekatodin pinnalle magneettikenttää käytetään varautuneiden hiukkasten hillitsemiseen plasman tiheyden lisäämiseksi sputterointinopeuden lisäämiseksi. Käytä ulkoista magneettikenttää elektronien sieppaamiseen, elektronien liikeradan laajentamiseen ja rajoittamiseen, ionisaationopeuden lisäämiseen ja pinnoitusnopeuden lisäämiseen.

3. Kemiallinen höyrypinnoitus
Kemiallinen höyrypinnoitus on kemiallinen höyrynkasvatusmenetelmä, jota kutsutaan CVD-tekniikaksi (Chemical Vapor Deposition). Tässä menetelmässä alkuainekaasu, joka sisältää yhtä tai useampaa ohutkalvoelementin muodostavaa yhdistettä, johdetaan substraattiin ja tarvittava ohutkalvo muodostetaan kaasufaasilla tai kemiallisella reaktiolla substraatin pinnalle käyttämällä energialähteitä, kuten kuumennusta, plasmaa, ultraviolettivaloa tai jopa laservaloa. Koska CVD-menetelmässä käytetään erilaisia ​​kaasureaktioita ohuen kalvon valmistukseen, ohuen kalvon koostumusta voidaan mielivaltaisesti säätää, jolloin voidaan valmistaa monia uusia kalvomateriaaleja. Kun CVD-menetelmää käytetään ohuen kalvon valmistukseen, sen kasvulämpötila on huomattavasti alhaisempi kuin ohutkalvon ainesosan sulamispiste, tuloksena oleva kalvokerros on tasainen, siinä on askelpeitto ja se soveltuu monimutkaisille alustoille. Sen etujen, kuten korkean kerrostumisnopeuden, muutaman neulanreiän, korkean puhtauden, tiiviyden ja harvojen kiteenmuodostusvirheiden, ansiosta kemiallisen höyrypinnoituksen käyttöalue on erittäin laaja. CVD-menetelmällä voidaan valmistaa pietsosähköisiä paksukalvomateriaaleja, joilla on tiheä, sileä pinta, paksuus 0 ～ 18 μm ja erinomainen suorituskyky. Siksi pietsosähköisten paksukalvojen valmistuksessa CVD-menetelmä on kehittynyt nopeasti ja monet tutkijat ovat omaksuneet sen.

4. Uusi liuosgeelimenetelmä
Uusi sooli-geeli -menetelmä on lisätä valmistettu jauhe (sama koostumus kuin sooli) sooliin, sitten lisätään tietty orgaaninen liuotin liuokseen dispergointiaineena, lisätään muita orgaanisia liuottimia liuoksen viskositeetin ja pH:n säätämiseksi ja lopuksi jatkuva ultraäänivärähtely ei dispergoi nanojauheita liuokseen, ja lopulta saadaan tasainen jauheliuos. Tarvittava kalvo kerrostetaan alustalle sooli-geeli -menetelmällä. Tässä saostusprosessissa jauhehiukkaset toimivat siemenkiteinä.
Tällä tavalla voidaan valmistaa paksu kalvo, jonka paksuus on kymmeniä mikroneja. Sillä vältetään perinteisellä sooli-geelimenetelmällä valmistetun paksun kalvon aiheuttama halkeilu tai jopa kalvon irtoaminen. Valmistetut paksukalvokomponentit ovat tasaisesti sekoitettuja ja erittäin puhtaita, eivätkä vaadi korkean lämpötilan sintrausta, ja tuloksena oleva paksu kalvo on yhteensopiva puolijohteiden valmistusprosessin kanssa. Ja laitteet ovat yksinkertaisia, kustannukset ovat alhaiset ja kalvon koostumusta voidaan hallita, joten tätä menetelmää käytetään tällä hetkellä useammin.

5. Hydroterminen menetelmä
Hydroterminen menetelmä tarkoittaa vesiliuoksen käyttöä reaktioväliaineena erityisesti valmistetussa suljetussa reaktioastiassa (autoklaavissa). Reaktioastiaa kuumentamalla syntyy korkean lämpötilan ja korkeapaineinen reaktioympäristö, jolloin normaalisti liukenemattomat tai liukenemattomat aineet liukenevat ja kiteytyvät uudelleen. Tällä menetelmällä valmistettu paksu kalvo sekoitetaan stoikiometrisesti valmistettavan paksukalvokomponentin sisältämiä yhdisteitä kyllästetyksi liuokseksi tietyssä alkalisessa väliaineessa ja säädetään pH-arvoa. Sen jälkeen liuos siirretään autoklaaviin ja substraatille voidaan kasvattaa tietty paksuus tietyn reaktioajan jälkeen.